OpenWRT系统（二） - LoRa基站开发
文章目录
- 架构
- LoRa 芯片驱动调试
- GPIO 模拟 SPI
- 硬件SPI片选控制
- LoRa转发模块移植
- 有线口回传
- 4G模块调试
- 配置编译
- PPP 拨号
- QMI拨号
- 参考
- 基站端
- 模组
- LoRaWAN Server
- Simulation
- Semtech Starter Kit
这篇文章主要记录lora原型基站开发的过程，基站支持对接市场上默认的 LoRaWAN Server，支持有线口回传，支持4G回传。
架构
- 步骤
- CPU 移植运行 OpenWRT 系统，有线口正常，这块我是基于现成的，此处省略
- 调试 SX1301 芯片驱动
- 移植 Semtech 公司开源的
packet_forwarder到 OpenWRT 平台，对接通用的 LoRaWAN Server - 调试移植4G模块驱动
- 硬件组成：CPU 使用 SOC AR95xx 系列芯片，通过 SPI 接口跟基带芯片通信，LoRa 基带射频使用 Semtech 公司的多路芯片 SX1301 + SX1255，4G 模组使用龙尚 U8300
- 软件：平台 OpenWRT ，版本 Attitude Adjustment 12.09，内核 3.3.8
- 报文流程
- AR95xx 通过
HAL模块的 SPI 读写操作控制 SX1301 接收终端发送的报文，经过packet forwarder模块封装打包后走有线口、WIFI 或 4G 通路，通过UDP方式发送给后台 LoRaWAN Server。
- AR95xx 通过
LoRa 芯片驱动调试
AR9531 可以通过 USB 或 SPI 驱动 SX1301，USB方式需要FTDI转 SPI 芯片方式网上教程较多。由于板子限制，这里采用 SPI 方式，由于板子的 SPI 控制器已经用来驱动 flash，控制 SX1301 有两种方式：
- GPIO 模拟 SPI 来控制（软 SPI ）
- 实际的硬件 SPI 通过片选控制
为提高调试效率，先修改Makefile的 cmdline 字段波特率，以串口 ttyS0 为例下面命令可以查找包含 ttyS0 对应行，使用 VIM 修改成 115200。
grep ttyS0 ./target/linux/ar71xx/image/Makefile
GPIO 模拟 SPI
参考
https://randomcoderdude.wordpress.com/2013/08/15/spi-over-gpio-in-openwrt/
- GPIO 管脚使用
先确认 GPIO 管脚是否可用，是否能拉高拉低
cat /sys/kernel/debug/gpio # 查看 GPIO 调试信息
cd /sys/class/gpio
echo 2 > export # 把 GPIO 管脚 2 导出到用户空间
cd gpio2
echo out > direction # 配置成输出
echo 0 > value # 输入值 0
cat value # 查看值是否改变
echo 1 > value # 输入值 1
cat value
如果CPU用到对应 GPIO 口存在 JTAG 复用的话，芯片初始化 GPIO 时把 JTAG 关掉
//文件：linux-3.3.8/arch/mips/ath79/gpio.c
//函数：ath79_gpio_init
if (soc_is_qca953x())
ath79_gpio_function_enable(AR934X_GPIO_FUNC_JTAG_DISABLE);
-
移植编译内核模块
OpenWRT 内核默认就已经有 GPIO 模拟 SPI 的驱动模块（
spi-gpio、spi-bitbang），另外有spi-dev设备层通用驱动，用来导出到用户空间，编译内核前把这三个模块打开。spi-dev模块问题是不大方便调试，建议下载移植spi-gpio-custom模块用于动态加载软 SPI 模块，根据对应 GPIO 管脚加载。
# 参数说明 * bus0 These four arguments can be arrays of * bus1 1-8 unsigned integers as follows: * bus2 * bus3 <id>,<sck>,<mosi>,<miso>,<mode1>,<maxfreq1>,<cs1>,... * where: * * <id> ID to used as device_id for the corresponding bus (required) * <sck> GPIO pin ID to be used for bus SCK (required) * <mosi> GPIO pin ID to be used for bus MOSI (required*) * <miso> GPIO pin ID to be used for bus MISO (required*) * <modeX> Mode configuration for slave X in the bus (required) * (see /include/linux/spi/spi.h) * <maxfreqX> Maximum clock frequency in Hz for slave X in the bus (required) * <csX> GPIO pin ID to be used for slave X CS (required**) insmod spi-gpio-custom bus0=1,14,15,16,0,1000000,4 # 加载模块 ls /dev/ | grep spidev1.0 # 确认 spidev 设备是否出现，存在则加载成功
硬件SPI片选控制
待完善，主要修订代码 dev-m25p80.c，
+static struct ath79_spi_controller_data ath79_spi_cdata0 =
+{
+ .cs_type = ATH79_SPI_CS_TYPE_INTERNAL,
+ .cs_line = 0,
+};
+
+static struct ath79_spi_controller_data ath79_spi_cdata1 =
+{
+ .cs_type = ATH79_SPI_CS_TYPE_GPIO,
+ .cs_line = 2,
+ .is_flash = false
+};
+
+static struct spi_board_info ath79_spi_info_multi[] = {
+ {
+ .bus_num = 0,
+ .chip_select = 0,
+ .max_speed_hz = 25000000,
+ .modalias = "m25p80",
+ .controller_data = &ath79_spi_cdata0,
+ },
+ {
+ .bus_num = 0,
+ .chip_select = 1,
+ .max_speed_hz = 25000000,
+ .modalias = "spidev",
+ .controller_data = &ath79_spi_cdata1,
+ }
+};
+
+void __init ath79_register_m25p80_multidev(struct flash_platform_data *pdata)
+{
+ multi_pdata = pdata;
+ add_mtd_concat_notifier();
+ ath79_spi_data.bus_num = 0;
+ ath79_spi_data.num_chipselect = 2;
+ ath79_spi_cdata0.is_flash = false;
+ ath79_spi_info_multi[0].platform_data = pdata;
+ ath79_register_spi(&ath79_spi_data, ath79_spi_info_multi, 2);
+}
LoRa转发模块移植
-
编译移植 LoRa 报文转发模块
下载编译
packet_forwarder、lora_gateway模块，lora_gateway编译时生成 .a 库文件，供packet_forwarder模块调用运行报文转发程序，根据自己系统修改下Makefile，编译完生成lora_pkt_fwd可执行文件以及其他测试程序。https://github.com/Lora-net/packet_forwarder
https://github.com/Lora-net/lora_gateway
Note：模块 v3.0.0 版本对接 LoRaWAN Server 使用了自定义的 GWMP 协议版本 2，不兼容版本 1，对接时要注意两边版本一致
-
编写
packet_forwarder起机脚本，包含了加载软 SPI 模块，复位 SX1301（手册要求），更新local_conf网关 MAC，启动 LoRa 转发模块，参考如下
#!/bin/sh /etc/rc.common
START=101
STOP=102
insmod_gpio_custom=true
reset_lora_chip=true
reset_cmd="reset_lgw.sh"
upgw_cmd="update_gwid.sh"
cmd="lora_pkt_fwd"
mod="spi-gpio-custom"
configFile="local_conf.json"
gpio_spi_dev="/dev/spidev1.0" # gpio simulated driver
hard_spi_dev="/dev/spidev0.1" # alternative: controlled by hardware spi controller
pid_file="/var/run/$cmd.pid"
stdout_log="/tmp/$cmd.log"
#stderr_log="/tmp/$cmd.err"
sck_pin=14
mosi_pin=15
miso_pin=16
mode=0
max_freq=10000000
cs_pin=4
get_pid() {
ps | grep -v grep | grep "$cmd" | awk '{print $1}'
}
is_running() {
ps | grep -v grep | grep "$cmd" > /dev/null
[ $? = 0 ]
}
start() {
if is_running; then
echo "Already started"
else
if [ \( ! -e "$gpio_spi_dev" \) -a \( ! -e "$hard_spi_dev" \) ]; then
echo "insmod custom gpio based spi"
insmod $mod bus0=1,$sck_pin,$mosi_pin,$miso_pin,$mode,$max_freq,$cs_pin # 可以在代码里加载好
fi
if [ "$reset_lora_chip" = true ]; then
echo "Reset SX1301"
chmod +x /etc/lora/"$reset_cmd"
/etc/lora/"$reset_cmd" start
fi
echo "update gateway id"
chmod +x /etc/lora/"$upgw_cmd"
/etc/lora/"$upgw_cmd" /etc/lora/"$configFile"
echo "Starting $cmd"
/usr/sbin/"$cmd" # >> "$stdout_log" 2>> "$stdout_log" &
echo "$!" > "$pid_file"
if ! is_running; then
echo "Unable to start, see $stdout_log"
exit 1
else
echo "Successfully started, see $stdout_log"
fi
fi
}
stop() {
if is_running; then
echo -n "Stopping $cmd.."
kill `get_pid`
for i in {1..60}
do
if ! is_running; then
break
fi
echo -n "."
sleep 1
done
echo
sleep 1
if [ "$reset_lora_chip" = true ]; then
/etc/lora/$reset_cmd stop
fi
if [ -e "$gpio_spi_dev" ]; then
echo "rmmod custom gpio based spi"
rmmod $mod
fi
if is_running; then
echo "Not stopped; may still be shutting down or shutdown may have failed"
exit 1
else
echo "Stopped"
if [ -f "$pid_file" ]; then
rm "$pid_file"
fi
fi
else
echo "Not running"
fi
}
restart() {
stop "$@"
start "$@"
}
status() {
if is_running; then
echo "Running"
else
echo "Stopped"
exit 1
fi
}
EXTRA_COMMANDS="status"
EXTRA_HELP=" status Print the status of lora packet-forward"
/etc/init.d/packet_forwarder start # 启动
- 运行测试程序
Note: 运行测试程序前需先加载
spi-gpio-custom模块，可以启动一下 /etc/init.d/packet_forwarder start 关掉，或者手动加载模块
# 发送功率测试，参数根据要求配置
util_tx_continuous -f 433.3 -r 1255 --mod LORA --sf 7 --bw 125
# 接收灵敏度测试
util_rx_test -c /etc/lora/freq_conf_433.json
-
对接 LoRaWAN Server
只是原型的话推荐接入 Loriot.io 社区进行调试期间试用， https://cn1dashboard.loriot.io/login，也可以自己到 github 上查找开源相关自己搭建一个。
有线口回传
参考 https://wiki.openwrt.org/doc/uci/network
注意与 4G 回传二选一来配置，ping 不通时，注意查看路由表默认路由是否是4G端口 route -e，DNS 要配，LoRa 报文转发模块默认会解析 server 域名。
uci set network.lan.proto=static # 静态IP
uci set network.lan.ipaddr=xxx.xxx.xxx.xxx
uci set network.lan.gateway=xxx.xxx.xxx.xxx
uci set network.lan.dns=xxx.xxx.xxx.xxx
uci set network.lan.netmask=255.255.255.0
uci commit
或者通过改配置文件 /etc/config/network
config interface 'lan'
option ifname 'eth0 eth1 ath0'
option type 'bridge' # 桥模式
option force_link '1'
option proto 'static'
option ipaddr 'xxx.xxx.xxx.xxx'
option netmask '255.255.255.0'
option gateway 'xxx.xxx.xxx.xxx'
option dns 'xxx.xxx.xxx.xxx'
重启网络生效
/etc/init.d/network restart
4G模块调试
参考
https://wiki.openwrt.org/doc/recipes/3gdongle
http://blog.csdn.net/qianguozheng/article/details/50543704
4G网卡的拨号方式有三种: PPP (PPP over EV-DO, CDMA, UMTS or GPRS)，QMI (USB modems using QMI protocol)，NCM (USB modems using NCM rotocol)
配置编译
使用驱动程序及工具，通过 make menuconfig 里要打开如下模块。
- 工具
comgt - USB HCI
kmod-usb2 (aka EHCI)
kmod-usb-ohci
kmod-usb-uhci (for example VIA chips) - 虚拟串口通信用
kmod-usb-serial, and kmod-usb-serial-option, and kmod-usb-serial-wwan, or kmod-usb-acm - 依赖库
kmod-usb-core, already in 10.03 RC3 Image
chat, dependency of comgt
ppp, dependency of chat, already in 10.03 RC3 Image
kmod-usb-serial, dependency of kmod-usb-serial-option
option 驱动加载后，出现 5 个 ttyUSB，PPP 拨号使用 ttyUSB1，AT 命令查询 ttyUSB2，数据通路走 PPP 或 QMI 拨号，两者都要修订代码 option_ids 增加 id，芯片初始化要注册USB控制器。
//文件：linux-3.3.8/arch/mips/ath79/mach-ap120-h.c
//函数：static void __init xxx_setup(void)
ath79_register_usb();
//文件：linux-3.3.8/drivers/usb/serial/option.c
{ USB_DEVICE(LONGSUNG_VENDOR_ID, LONGSUNG_U8300_PRODUCT_ID)}, /* add for longsung U8300 LTE modem */
PPP 拨号
速率支持不是最高，当前状态下够用，3.3.8 内核配置完就可支持，通过 UCI 命令配置
uci set wan.ifname=ppp0
uci set wan.device=/dev/ttyUSB1
uci set wan.apn=3gnet
uci set wan.service=umts
uci set wan.dialnumber=*99#
uci set wan.proto=3g
uci set wan.defaultroute=1
或者修改 /etc/config/network 增加 ppp0 的 wan 口
config interface 'wan'
option ifname 'ppp0'
option device '/dev/ttyUSB1'
option apn '3gnet' # 根据运营商变化注：联通apn：3gnet 电信apn：ctnet 移动apn：cmnet/cmwap
option service 'umts'
option dialnumber '*99#' # 联通dialnumber：3G为*99# 电信：3G为#777 移动为：*99***1# LTE为：*99#
option proto '3g'
option defaultroute '1'
/etc/init.d/network restart 重启网络
ifconfig 查看是否出现 3G 端口
QMI拨号
跟 PPP 拨号二选一， 修改代码跳过第四接口不让其被 option 驱动检测到，加载 GobiNet 模块驱动该口，支持 4G，更高速率，使用时 PPP 拨号要关掉
//文件：drivers/usb/serial/option.c
//函数： static int option_probe(struct usb_serial *serial, const struct usb_device_id *id)
if (cpu_to_le16(serial->dev->descriptor.idVendor) == LONGSUNG_VENDOR_ID &&
cpu_to_le16(serial->dev->descriptor.idProduct) == LONGSUNG_U8300_PRODUCT_ID &&
serial->interface->cur_altsetting->desc.bInterfaceNumber == 4) {
printk(KERN_INFO"Discover the 4th interface for U8300 NDIS\n");
return -ENODEV;
}
Gobi 芯片是高通开发的移动宽带 modem，3.3.8 内核需自己移植 GobiNet 驱动，3.4 内核以上系统自身有带 qmi_wwan 驱动，用户空间工具 ofono, uqmi and libqmi，感兴趣的可以看下 https://sigquit.wordpress.com/2014/06/11/qmiwwan-or-gobinet/
#加载模块
insmod /lib/modules/3.3.8/GobiNet.ko
#读返回结果
cat /dev/ttyUSB2 &
#拨号
echo -e 'at$qcrmcall=1,1\r\n' > /dev/ttyUSB2
#查看出现4g用接口
ifconfig
#查询网络服务类型
echo -en "at+psrat\r" > /dev/ttyUSB2
#查询手机功能
echo -e "at+cfun?\r" > /dev/ttyUSB2
#查询pin是否正常识别或是否有pin码
echo -e "at+cpin?\r" > /dev/ttyUSB2
#查询运营商
echo -e "at+cops?\r" > /dev/ttyUSB2
#返回IMSI号
echo -en "at+cimi\r" > /dev/ttyUSB2
#查询IMEI号
echo -e "at+cgsn\r" > /dev/ttyUSB2
#查询集成电路卡识别码
echo -e "at+iccid\r" > /dev/ttyUSB2
#查询信号质量，返回rssi,rxlevel
echo -e "at+csq\r" > /dev/ttyUSB2
#断开连接
echo -e 'at$qcrmcall=0,1\r\n' > /dev/ttyUSB2
参考
除了前面提到了，下面罗列一些关于 LoRaWAN 系统搭建可能会用到的代码链接。
基站端
-
Low-cost LoRa gateway with SX1272 and Raspberry
-
https://github.com/CongducPham/LowCostLoRaGw
-
This is a fork with the needed modifications to be able to use lora_gateway with a Multitech MTAC-LORA (MultiConnect mCard) board instead of a IoT Starter Kit platform.
https://github.com/mirakonta/lora_gateway
模组
-
Semtech 开源的节点实现代码，MCU基于STM32L151CB，射频SX1272
https://github.com/Lora-net/LoRaMac-node -
IBM 开源的节点实现代码，BSD License，支持ClassA、B
https://www.research.ibm.com/labs/zurich/ics/lrsc/lmic.html
LoRaWAN Server
lorawan server开源实现，MIT授权，可以参考实现
-
go语言 the things network社区，15年10月就开始做了，比较完整
https://github.com/TheThingsNetwork/ttn
V1版本源码：https://github.com/TheThingsNetwork/ttn/tree/v1-staging
TTN官网：https://www.thethingsnetwork.org
TTN架构：https://www.thethingsnetwork.org/wiki/Backend/Overview
ttnctl CLI：https://www.thethingsnetwork.org/docs/current/cli/
后台：https://account.thethingsnetwork.org -
go语言，16年2月开始做的，跟TTN很像
https://github.com/brocaar/loraserver/ -
erlang语言，适合小型网络使用，只有1个人在开发
https://github.com/gotthardp/lorawan-server
Simulation
https://sites.google.com/a/wesdec.be/mweyn/lpwan
Semtech Starter Kit
http://semtechlorakit.blogspot.jp/